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没有10年工作经验,我猜你都不会用电磁场来分析高速问题吧?

发布时间:2025-02-01 14:10

高速先生成员--黄刚


临放假了,就不发一些很难理解的理论文章了,让大家看得轻松点。说点什么内容来开场呢?随着高速信号的速率越来越高,设计难度越来越大,对layout工程师,硬件工程师和我们SI工程师的分析定位问题的能力提出了更高的要求。

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我们来分析PCB上的某一条高速链路时,可能有90%的工程师们都会选择从S参数和眼图两个维度去分析,无论是在做仿真还是测试阶段。例如我们看到一条10G信号链路的频域参数是这样的时候,根据我们的经验会觉得性能很好。S参数很线性,眼图张开度很大,都挺好!

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当然经验也告诉我们,以下这个链路的频域性能贼差,无论是从眼图还是S参数都能够看到。

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但是工作多年的你们有没有想过这个问题,就是频域参数差,到底对应到PCB链路上是哪个地方的设计差呢?为什么这个设计会很差呢?传统的教育已经深入SI工程师的骨髓了,那就是S参数嘛,本身就是黑盒子,只是链路的收发端通过端口提取得到参数性能,可以不用管链路由什么结构组成!

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但是硬件工程师想知道问题啊,PCB设计工程师更想知道问题啊,他们还等着你找出问题,然后告诉他们怎么修改PCB设计呢!这个时候SI工程师就得打开这个黑盒子,去看看里面到底是哪个地方出了问题。尤其是像上面的一个特定链路,遇到一个很大的谐振尖峰时,需要你从PCB设计上去找到这个谐振产生的地方和原因,你能做到吗?

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时域的眼图只能告诉你张开度怎么样,频域S参数只能看到损耗曲线是不是线性,有没有谐振,有问题时他们都很难直观的告诉你为什么是这样,是哪里出了问题。因此假设你已经有一定的设计和SI的积累后,高速先生今天给大家推荐一个对高速信号很有效的分析方法,通过电磁场分布来分析和定位问题!


我们知道,高速信号在传输过程中,其实就是以电磁场的形式在信号路径和返回路径之间传输,例如以下的一个简单的传输线结构。

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要是看看返回路径(也就是你们经常说的地平面)位置的电场时,会发现电场基本上都会在信号线的投影范围传输,不会有太多的电场能量扩散到其他位置,也就是我们经常说的3H原则。电场被包裹得很好,也就是说明信号线的参考平面很完整,所以我们知道这条链路的性能会不错。

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在简单入了门之后,那我们来分析下如果是不完整的参考平面情况下会怎么样呢?例如下面的信号跨分割的设计。

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如果我们还是把这个结构当做黑盒子的时候来提取频域S参数的时候,通过3D仿真,能得到这条链路的损耗曲线,非常不线性,在某些频点会有很大的谐振点。

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结果的确很差,但是只看频域参数,你们能分析出它差的原因吗?在谐振点位置的损耗那么大是为什么呢?那我们拿其中一个谐振频点(就第三个频点吧,24GHz附近)去看看这个结构的回流路径的电场,你就会有惊人的发现。

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哦!!!这个时候你就能解释说,原来在这个频点的信号回流沿着分割槽饶了弯路,没法从跨分割区域直接跳过去,因此导致很大的回流电感,损耗就变大啦!


另外电场在分析过孔stub到底有什么影响时,也非常的有用。例如以下这个有比较长stub的过孔结构。

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从S参数上,我们当时知道会出现谐振点,如下所示:

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但是不看看电场,你不会了解这个在谐振点频点位置的信号是怎么走的,一起来看看就知道了。

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可以看到,在这个频点时,信号的电场能量全部都分布在过孔stub这里,仿佛这里才是他要去的地方,而原来右边过孔换到内层出线的路径,基本上没有什么能量分布。然后这个时候不仅仅是这个过孔结构的信号质量比较差,往stub走的大部分能量还很容易往空间去扩散,形成非常严重的EMI辐射,下图就是这个结构在空气中的电场分布图。

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是不是给很多朋友们开拓了一条分析高速信号的新道路呢?当然上面列举的例子都还算很简单的结构。其实有很多在频域和时域有问题,但是又非常难分析和定位问题的结构,如果学会了这一招,或多或少都能够找到原因哈(看个人使用能力了)。今儿高速先生只是让大家知道这个好的招数和带大家简单的入个门,大伙如果觉得有用的话就不妨去试试吧!


问题来了

年底了,送送积分哈,说说你们对这个分析方法的感受和想法吧,觉得好的话就帮忙转发扩散哈!


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